关于.net环境下跨进程、高频率读写数据的问题

影者东升

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• 一、需求背景
  
• 二、没错，第一节写的太多了
  
• 三、开始写代码了
  
• 四、真的要贴代码了
  
• 五、差点忘记做成DLL了
  
• 六、因为跨线程、进程，所以要考虑加入互斥量哦
  

一、需求背景
1、最近项目要求高频次地读写数据，数据量也不是很大，多表总共加起来在百万条上下。
单表最大的也在25万左右，历史数据表因为不涉及所以不用考虑，
难点在于这个规模的热点数据，变化非常频繁。
数据来源于一些检测设备的采集数据，一些大表，有可能在极短时间内（如几秒钟）可能大部分都会变化，
而且主程序也有一些后台服务需要不断轮询、读写某种类型的设备，所以要求信息交互时间尽可能短。
2、之前的解决方案是把所有热点数据，统一加载到共享内存里边，到也能够支撑的住（毫秒级的），但是由于系统架构升级，之前的程序（20年前的）不能兼容。
只能重新写一个，最先想到的是用redis，当时把所有API重写完成后，测试发现效率不行，是的，你没有看错，redis也是有使用范围的。
3、redis读写非常快，但是对于大批量读写操作我觉得支持不够，虽然redis支持批量读写，但是效率还是不够快，
对于字符串（string）类型的批量读写，我测试过；效率比较好的在每批次200 至 250条之间，处理20万条数据耗时5秒左右, (PC机，8G，4核)
而对于有序集合（sorted set）类型，批量写的操作用起来非常别扭，而且没有修改API（如有其他方式请指教），我测试过，效率没string类型那么高
其他类型不适合我的业务场景，就没考虑使用了
4、所以项目组最后决定还是用回共享内存，先决定在.net环境下使用c#的共享内存，这个功能可能使用的人不多，其实在.net4.0版本就已经集成进来了
在System.IO.MemoryMappedFile命名空间下。这个类库让人很无语，因为里边能用的只有Write、Read这2种方法，而且只是针对字节的操作，
需要非常多的类型转换，非常麻烦！想想，只能以字节为单位去构建一个需要存放百万级数据的内存数据库，得多麻烦？
需要手动搞定索引功能，因为要支持各种查询，最后花了一天的时间写完DEMO，最后测试后发现效率并没有很大提高，因为当时加了互斥量测试，
但是离毫秒级差得远。这个技术点有兴趣的可以了解下，园子里有，如：https://www.cnblogs.com/zeroone/archive/2012/04/18/2454776.html

二、没错，第一节写的太多了
1、最后分析，这应该是c#语言的瓶颈，c#对于这种骚操作是不那么成熟的。
2、最后瞄来瞄去，决定使用VC开发一个dll，在里边封装对内存数据的读写功能，然后c#调用
3、本人的C、C++不那么熟、参考了一些实例，比如园子里的：http://www.cnblogs.com/cwbcwb505/archive/2008/12/08/1350505.html
4、是的，你没有看错，2008年的，我还看到一篇更早的，看来底层开发C、C++那么经久不衰不是没有道理的，很多技术现在都在用
5、看看什么是共享内存

三、开始写代码了
1、首先建2个控制台项目，支持MFC，
2、先这样：一个负责创建共享内存，初始化数据
3、再这样：一个读写数据测试，最后修改
4、最后修改下图片细节，测试一下，看看效果

5、完成了，see, 是不是很简单呀？都会了吗？

四、真的要贴代码了
1、先定义个枚举返回状态

typedef enum
{
  Success = 0,
  AlreadyExists = 1,
  Error = 2,
  OverSize = 3
}enumMemory;

2、再定义个结构体用来测试

typedef struct
{
  int    TagID;
  char  TagName[32];
  int    Area;
  double  EngVal;
  double  UpdateTime;
  double  RawMax;
  double  RawMin;
  double  RawVal;
  char  Name[50];
  char  Al;
  double  ASTime;
  char  MaskState;
  double  AMTime;
  char  Cf;
  char  Tdf;
  char  AlarmCode[32];
}TENG;

3、开始创建共享内存

int Create(UINT size)
  {
    // Data
    HANDLE fileMap = CreateFileMapping(INVALID_HANDLE_VALUE, NULL, PAGE_READWRITE, 0, size, “Name”);
    if (fileMap == NULL || fileMap == INVALID_HANDLE_VALUE)
      return Error;
    if (GetLastError() == ERROR_ALREADY_EXISTS)
      return AlreadyExists;
    // init
    void *mapView = MapViewOfFile(fileMap, FILE_MAP_WRITE, 0, 0, size);
    if (mapView == NULL)
      return Error;
    else
      memset(mapView, 0, size);
    return Success;
  }

4、再开始写数据

int Write(void *pDate, UINT nSize, UINT offset)
  {
    // open
    HANDLE fileMap = OpenFileMapping(FILE_MAP_WRITE, FALSE, “Name”);
    if (fileMap == NULL)
      return Error;
    // hander
    void *mapView = MapViewOfFile(fileMap, FILE_MAP_WRITE, 0, 0, nSize);
    if (mapView == NULL)
      return Error;
    else
      WriteDataPtr = mapView;
    // write
    memcpy(mapView, pDate, nSize);
    UnmapViewOfFile(pMapView);
    return Success;
  }

5、开始读数据

int Read(void *pData, UINT nSize, UINT offset)
  {
    // open
    HANDLE fileMap = OpenFileMapping(FILE_MAP_READ, FALSE, GetTableName());
    if (fileMap == NULL)
      return Error;
    // hander
    void *pMapView = MapViewOfFile(fileMap, FILE_MAP_READ, 0, 0, nSize);
    if (pMapView == NULL)
      return Error;
    else
      ReadDataPtr = pMapView;
    memcpy(pData, (pMapView, nSize);
    UnmapViewOfFile(pMapView);
    return Success;
  }

6、OK了，不复杂，网上都有这些资料，最后我们贴上测试程序

int _tmain(int argc, TCHAR* argv[], TCHAR* envp[])
{
  int length = 100000;
  CEng * ceng = new CEng();
  DWORD dwStart = GetTickCount();
  for (int i = 0; i < length; i++) {
    TENG eng;
    ceng->Read(&eng, ceng->size, ceng->size * i);
    eng.EngVal = i;
    ceng->Write(&eng, ceng->size, (i*ceng->size));
    if (i % 10000 == 0 || i == length - 1)
      printf("正在读写的Eng.TagName:%s \n", eng.TagName);
  }
  printf("总条数%d,耗时:%d 毫秒 \n", length, GetTickCount() - dwStart);
  // 验证数据
  TENG eng5000;
  ceng->Read(&eng5000, ceng->size, ceng->size * 5000);
  printf("\n验证数据 \n");
  printf("第5000个Eng的TagID:%d, EngVal:%lf \n", eng5000.TagID, eng5000.EngVal);

  scanf_s("按任意键结束");
  return 0;
}

7、还有写测试程序

int _tmain(int argc, TCHAR* argv[], TCHAR* envp[])
{
  int length = 100000;
  CEng * ceng = new CEng();
  ceng->Create(ceng->size * length);
  DWORD dwStart = GetTickCount();
  for (int i = 0; i < length; i++)
  {
    TENG eng;
    memset(&eng, 0, ceng->size);
    eng.TagID = i;
    sprintf_s(eng.AlarmCode, "AlarmCode.%d", i);
    sprintf_s(eng.TagName, "TagName.%d", i);
    if (i % 10000 == 0 || i == length - 1)
      printf("正在写入的Eng.TagName:%s \n", eng.TagName);
    ceng->Write(&eng, ceng->size, (i*ceng->size));
  }

  // print time
  printf("写入数据完毕,总条数:%d\n", length);
  printf("初始化值共享内存区耗时:%d 毫秒 \n", GetTickCount() - dwStart);

  scanf_s("按任意键结束");
  return 0;
}

8、当然得再贴一遍啦

五、差点忘记做成DLL了
1、定义外部函数

extern "C" __declspec(dllexport) int ReadFromSharedMemory(TENG *pData, int nSize, int offset)
{
  return ceng->Read(pData, nSize, offset);
}
extern "C" __declspec(dllexport) int WriteToSharedMemory(void *pData, int nSize, int offset)
{
  return ceng->Write(pData, nSize, offset);
}

2、好了，VC到此为止，可以去领盒饭了，c#进场

public class Lib
  {
    [DllImport("ConsoleApplication4.dll", CallingConvention = CallingConvention.Cdecl)]
    public static extern int ReadFromSharedMemory(IntPtr pData, int nSize, int offset);
    [DllImport("ConsoleApplication4.dll", CallingConvention = CallingConvention.Cdecl)]
    public static extern int WriteToSharedMemory(IntPtr pData, int nSize, int offset);
  }

3、c#测试一下

static void Main(string[] args)
    {
      var length = 100000;
      var startTime = DateTime.Now;
      var size = Marshal.SizeOf(typeof(TEng));
      var intPtrOut = Marshal.AllocHGlobal(size);
      var intPtrIn = Marshal.AllocHGlobal(size);
      for (var i = 0; i < length; i++)
      {
        Lib.ReadFromSharedMemory(intPtrOut, size, size * i);
        var eng = Marshal.PtrToStructure<TEng>(intPtrOut);
        eng.EngVal = i;
        Marshal.StructureToPtr(eng, intPtrIn, true);
        Lib.WriteToSharedMemory(intPtrIn, size, size * i);
        if (i % 10000 == 0)
          Console.WriteLine("eng.TagID:{0}", eng.TagID);
      }
      Console.WriteLine("总条数{0},耗时:{1} 毫秒", length.ToString(),
        (DateTime.Now - startTime).TotalMilliseconds.ToString());
      // 验证数据
      var intPtr100 = Marshal.AllocHGlobal(size);
      Lib.ReadFromSharedMemory(intPtr100, size, size * 100);
      var eng100 = Marshal.PtrToStructure<TEng>(intPtr100);
      Console.WriteLine();
      Console.WriteLine("验证数据");
      Console.WriteLine("第100个Eng的TagID:{0},EngVal:{1}", eng100.TagID, eng100.EngVal);
      Console.ReadKey();
    }

4、165毫秒，相比在VC下运行，差了一个数量级，但是，也不错了；
因为c#环境下需要不断的Marshal.PtrToStructure、Marshal.StructureToPtr，频繁地把数据在托管内存俞共享内存之间搬运
是需要耗费时间的，这点有更好处理方式的请指教，

六、因为跨线程、进程，所以要考虑加入互斥量哦
1、很简单，MFC下有现成的类CMutex，加在Write里边在看看效率

互斥量是需要耗费资源的，多了将进100毫秒
2、读写都加上互斥量试试看

又多了80多毫秒，
鱼与熊掌不可兼得啊。要根据实际运用场景觉得是否加上互斥量
好了，人家51去游玩、我却宅家里码程序，可见我的趣味还是挺高的，洗澡、洗衣服、然后去吃饭、一天没进食了，
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